NIMS和大阪大學(xué)金屬3D打印鎳單晶，加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展

2022年7月27日，南極熊獲悉，NIMS（國(guó)立材料科學(xué)研究所）和大阪大學(xué)工程研究生院，通過(guò)用大半徑平頂激光束照射鎳粉，使用選擇性激光熔化 (SLM) ，成功制造出晶體缺陷很少的鎳單晶體。

△2017年西門子完成全球首個(gè)3D打印渦輪葉片試驗(yàn)，隨著該技術(shù)的高速發(fā)展，航空迫切需求耐高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部件解決方案

該技術(shù)可用于制造多種單晶材料，包括用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的耐熱材料。
技術(shù)難題
根據(jù)之前的研究進(jìn)展，人們可以使用電子束增材制造制造單晶。然而，該技術(shù)需要昂貴的設(shè)備，并且由于需要真空操作，這種工藝操作成本也很高，從而限制了其廣泛使用。盡管可以使用更便宜的設(shè)備進(jìn)行激光3D打印，但以前使用這種技術(shù)制造單晶，都已失敗告終。

△(a), (e), (i)顯示了垂直于BD的截面上的IPF圖，相應(yīng)的紋理分別顯示在(c), (g), (k)。(b), (f), (i)顯示了橫跨BD的截面上的IPF圖，相應(yīng)的紋理分別顯示在(d, h, l)。所有的IPF都是沿BD軸設(shè)置的

新的技術(shù)
當(dāng)用激光束照射金屬粉末原料時(shí)，它會(huì)熔化，形成固液界面。難以在界面附近沿相同方向生長(zhǎng)晶粒，并防止由它們的凝固引起的應(yīng)變誘導(dǎo)缺陷的形成。發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題歸因于傳統(tǒng)高斯激光束的強(qiáng)度分布（即，激光束在光束的橫截面上具有鐘形強(qiáng)度），這導(dǎo)致形成由取向較小的晶粒組成的多晶許多晶界。

該研究團(tuán)隊(duì)使用SLM Solutions制造的商用SLM 280 3D打印機(jī)，成功地使用平頂激光束制造了單晶，在鎳粉上形成了平坦的熔池表面。單個(gè)晶粒以相同的方向生長(zhǎng)，具有較少的應(yīng)變誘導(dǎo)缺陷。沒(méi)有晶界的單晶容易開(kāi)裂，并且在高溫下非常堅(jiān)固。

△從左到右：激光束照射在粉末床上，產(chǎn)生的圓柱形單晶物體。（右）可以應(yīng)用平頂激光束形成以相同取向排列的晶體，而應(yīng)用傳統(tǒng)的高斯激光束會(huì)導(dǎo)致晶粒取向較小

未來(lái)發(fā)展
這種新技術(shù)可以最大限度地減少，晶體在凝固過(guò)程中的應(yīng)變產(chǎn)生和開(kāi)裂。此外，該技術(shù)不需要使用晶種，從而簡(jiǎn)化了增材制造工藝。除了鎳，這種激光增材制造技術(shù)，還可用于將其他金屬和合金加工成單晶物體。

△該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果已發(fā)表在Additive Manufacturing Letters，題目為《通過(guò)平頂激光束選擇性激光熔化制造純鎳單晶體》（點(diǎn)我傳送門）

隨著對(duì)高溫部件（如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)）使用的增加，對(duì)通過(guò)3D打印開(kāi)發(fā)鎳基高溫合金部件的需求也在增加。由于單晶在高溫下比多晶更堅(jiān)固，因此它們作為耐熱材料的實(shí)際應(yīng)用很有發(fā)展前景。最后，使用更便宜和可以廣泛使用的3D打印技術(shù)，與其他金屬和合金一起使用，加速耐熱噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件的開(kāi)發(fā)，以創(chuàng)建一系列非常適合航空航天和發(fā)電應(yīng)用的單晶體。